CN201804696U - 一种特高压等电位屏蔽电容式电压互感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于电力系统互感器装置领域，提出了一种高精度、快速响应、免现场效验的特高压等电位屏蔽电容式电压互感器，包括由上至下串联的顶部均压罩、电容分压器和电磁单元，处于中间位置的两个电容分压器之间设有一中间均压电极，其中电容分压器由等电位屏蔽的双层同轴电容器组件构成，电磁单元包括补偿电抗器、中间变压器和用于抑制铁磁谐振的阻尼器。该电容式电压互感器可以满足从超高压直至特高压等级电网工频交流电压准确测量和继电保护快速可靠动作的要求。由于测量主电容处于良好的屏蔽状态，电容量可以大幅度降低，因而，分压器的重量可大幅度降低，细高形的分压器的抗震特性也随之改善。
Description
技术领域
本实用新型属于电力系统互感器装置领域，具体涉及一种高精度、快速响应、免现场效验的特高压等电位屏蔽电容式电压互感器(CVT)。
背景技术
随着我国特高压(交流1000kV及以上)输电技术的工程应用，特高压电网电压的准确测量成为有待研究解决的关键技术问题。国内外电力系统广泛应用的工频高电压测量装置主要有电磁式电压互感器和电容式电压互感器两种(两者均属于无源电压测量系统)，基本上能够满足500kV及以下电压等级电压计量和继电保护的要求。光电式电压互感器、电子式电压互感器(均属于有源电压测量系统)目前还处在研发和试运行过程中，尚有电压测量精度、激光器寿命、系统可靠性等问题需进一步研究解决，尚未获得规模应用。
当进入超/特高压等级，电磁式电压互感器由于绝缘困难已很少采用。电容式电压互感器(CVT)由于结构简单、可靠性高、造价较低，仍是超/特高压等级电网电压测量的主要设备。但是，国内外现有CVT的设计应用于特高压电网，遇到了如下的技术困难：
1)杂散电容电流影响测量准确度
传统的电容式电压互感器(CVT)，由于电容分压器高压臂与周围的接地体或带电体之间存在杂散电容，在高电压作用下，杂散电容电流流出或流入高压臂，导致电压测量误差。这种误差随着电压等级的增高而加大。我国两北750kV电网电容式电压互感器实测结果，杂散电流(包括电容电流和绝缘套表面泄漏电流)引起的测量误差可高达0.2％以上。电场仿真表明，1000kV的CVT，从分压器高压臂流入大地的电容电流可达20mA，造成显著的测量误差。通常采用加大分压器主电容量的描施来减少杂散电流的影响，但即使电容量增大到10000pf，特高压CVT的准确级也难达到0.1级的标准。
2)现场效验困难
现有CVT测量误差受杂散电容影响因而与安装位置有关。超/特高压电压等级的CVT在现场安装后，需要进行现场效验，以便修正出厂时测定的比差和角差。在特高压变电站进行互感器的现场效验绝非易事。除了特高压标准电容器制造难度外、特高压变电站现场的电磁干扰也是进行现场准确效验比对的重要制约因素。
3)CVT响应特性问题：
数字化继电保护系统的广泛应用对电压互感器的响应特性提出了越来越高的要求，要求互感器次级电压应快速准确反映初级电压的变化。有关规程要求，互感器初级对地短路后，次级电压应在0.2秒以内降至初始值的0.1以下。现有CVT均采用储能元件组成的铁磁谐振阻尼器，以抑制电磁单元中可能产生的铁磁谐振。储能元件的引入使互感器的响应特性变差，难以满足特高压电网继电保护快速准确动作的要求。
综上所述，特高压输电的发展对提高现有CVT的测量准确度、改善响应特性、免除现场效验提出了迫切需求。
申请号为200710050439.5的中国发明专利公开了一种全屏蔽电容式电压互感器，包括置于密封的充满绝缘介质壳体中的电容分压部分和电磁装置。电容分压部分为全屏蔽密闭壳体内的高压电极和中压电极，高压电极为中心的电极柱，中压电极为环绕高压电极并与之同轴的筒形电极，电容分压部分的全屏蔽壳体为环绕中压电极并与高压电极同轴的圆筒。中、高压电极与壳体三者为同轴结构，在电压作用下，它们之间产生的电场力均匀分布于圆周上且相互抵消，电极之间的相对位置不会发生偏移，电极之间的电容极为稳定，提高了互感器的精度。
与本实用新型专利相比，申请号为200710050439.5的中国发明专利采用全屏蔽的结构，具有优良的屏蔽效果，但也正是由于采用了全屏蔽措施，导致其体积会随被测信号电压等级的升高而迅速增大，受自身结构的限制，不适合在电力工程现场使用，更不能用于百万伏特高压的测量使用，这种全屏蔽结构的电压互感器比较适合用于高压实验室替代标准电容器使用。本实用新型专利所述的特高压等电位屏蔽电容式电压互感器，可实现百万伏特高压的精确测量，这是本实用新型的最大特点。
国内外现有的电容式电压互感器无例外地采用无屏蔽的高压电容器串联作为分压器的高压臂，没有等电位屏蔽的电容分压器的专利和相关产品；国内外现有的电容式电压互感器的电磁单元均采用由储能元件组成的阻尼器，没有无储能元件抑制铁磁谐振的专利和相关产品。
实用新型内容
本实用新型的目的在于解决我国特高压(交流1000kV及以上)电网电压的准确测量问题。
本实用新型设计的高精度、快速响应、免现场效验的特高压电容式电压互感器主要基于如下两项技术：
1)等电位屏蔽电容分压器：在测量用分压器高压臂主电容外周设置一系列的环形同轴屏蔽电极，各层屏蔽电极与一个辅助分压器相连。可以证明，如果环形电极沿轴线的电位分布与测量用主电容的电位分布保持一致，则可以完全阻断从主电容通过杂散电容流出或流入的电流。环形电极的电压分布可以用辅助分压器的参数选择加以调节。主分压器系统与环形电极及辅助分压器系统之间没有任何电气连接。这样，对地的电容电流和绝缘套表面的泄漏电流均由辅助分压器提供，不经过测量用的主电容，使测量分压器处于完善的屏蔽状态，从而保证电压测量的高精度。这是本实用新型的核心技术内容。
2)无储能元件、用于抑制铁磁谐振的阻尼器：目前国内外均采用带有电感、电容、电阻元件组成的阻尼器实现中间变压器可能发生的铁磁谐振。储能元件的存在使响应特性变坏。现有的CVT铁磁谐振阻尼与响应特性两者不能兼顾。本实用新型采用了电力电子器件与MOA等无储能的元件组成阻尼铁磁谐振，既能有效抑制铁磁谐振，又大幅度改善了响应特性，使互感器能够满足特高压电网继电保护快速、可靠动作的要求。这是本实用新型的另一项专有核心技术。
基于这两项专有技术，本实用新型提出了一种特高压等电位屏蔽电容式电压互感器，包括由上至下串联的顶部均压罩、电容分压器和电磁单元，所述处于中间位置的两个电容分压器之间设有一中间均压电极，其特征在于：所述电容分压器由等电位屏蔽的双层同轴电容器组件构成，所述电磁单元包括补偿电抗器、中间变压器和用于抑制铁磁谐振的阻尼器。
其中，所述阻尼器由击穿二极管BOD串接金属氧化物避雷器MOA组成。
其中，所述双层同轴电容器组件包括环形屏蔽电极、测量用主电容、绝缘材料、复合绝缘套筒和屏蔽用辅助电容，所述主电容设在复合绝缘套筒的内轴心处，在主电容的上、下法兰外沿处分别设有同轴分布的环形屏蔽电极，在所述上、下环形屏蔽电极之间沿复合绝缘套筒内壁圆周对称布置有屏蔽用辅助电容，所述屏蔽用辅助电容的正极及负极分别与上、下环形屏蔽电极可靠连接，主电容与环形屏蔽电极及辅助电容器之间填充有绝缘材料。
其中，所述中间均压电极通过拉线绝缘子接地。
其中，根据电压等级的要求，将各双层同轴电容器组件串联组成等电位屏蔽的电容分压器。
其中，所述主电容串联组成测量分压器的高压臂C1和低压臂C2，通过低压臂C2接地，构成测量分压器；屏蔽用辅助电容逐级串联后直接接地，构成测量分压器的等电位屏蔽；测量分压器的输出端通过补偿电抗器接入中间变压器的一次绕组后接地，中间变压器的二次绕组出线端接负载后接地，所述阻尼器与负载并联。
其中，该电压互感器的主电路为：高压臂C1连接低压臂C2后接地G，被测高电压经接线端V接入该电压互感器，分压所得的被测信号F通过补偿电抗器接入中间变压器的一次绕组进线端，中间变压器的一次绕组出线端接地；在中间变压器二次绕组出线端与地之间并联有用于抑制铁磁谐振的阻尼器，同时中间变压器二次绕组出线端经负载接地。
本实用新型所述电容式电压互感器的电压测量精度、暂态响应特性、适用电压等级、机械特性等各项重要指标均显著优于国内外现有的电容式电压互感器，可以满足从超高压直至特高压等级电网工频交流电压准确测量和继电保护快速可靠动作的要求。由于测量主电容处于良好的屏蔽状态，电容量可以大幅度降低，因而，分压器的重量可大幅度降低，细高形的分压器的抗震特性也随之改善。此外，本实用新型的一个重要的特点是，这种新型互感器无需现场效验。由于分压器部分已经处于良好的屏蔽状态，犹如一个标准电容器，测量结果不受互感器的安装位置的影响，因而，互感器出厂后不需要进行例行的现场效验。
本实用新型的有益效果在于：
1)测量用分压器处于良好的屏蔽状态，不受杂散参数的影响，分压比稳定，测量精度高，本实用新型设计的特高压等级的CVT的测量准确级可达0.1级；
2)用于抑制铁磁谐振的阻尼器不含电感电容等储能元件，响应特性比现有CVT大幅度改善，初级短路后0.05秒内次级电压就低于初始值的10％以下，可满足超/特高压电网现代继电保护系统对互感器响应特性的严格要求；
3)无需进行现场效验；
4)分压器高压臂主电容量比现有设计小一个量级，整个设备重量轻，抗风、抗震等机械性能好。
附图说明
图1是依据本实用新型的特高压等电位屏蔽电容式电压互感器的外形示意图，其中，1-顶部均压罩，2-双层同轴电容器组件，3-中间均压电极，4-电磁单元，5-拉线绝缘子；
图2是依据本实用新型的双层同轴电容器组件的剖面示意图，其中，21-环形屏蔽电极，22-测量用主电容，23-绝缘材料，24-复合绝缘套筒，25-屏蔽用辅助电容；
图3是依据本实用新型的特高压等电位屏蔽电容式电压互感器的主电路图，其中，41-补偿电抗器，42-中间变压器，43-阻尼器；
图4示出了依据本实用新型的特高压等电位屏蔽电容式电压互感器的响应特性的比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型所述的电容式电压互感器做进一步详细的说明。
本实用新型的电容式电压互感器主要由以下两大部分组成：1)由等电位屏蔽的双层同轴电容器组件组成的电容分压器；2)用于抑制铁磁谐振的无储能元件的阻尼器与中间变压器等部件共同组成的电磁单元，其外形如图1所示，包括自上而下串联的顶部均压罩1、连续两个双层同轴电容器组件2、中间均压电极3、连续两个双层同轴电容器组件2和电磁单元4，中间均压电极3与地之间还连接有起固定支撑作用的拉线绝缘子5。
等电位屏蔽的双层同轴电容器组件2是本实用新型的核心组件，其内部结构如图2所示：在复合绝缘套筒24的内轴心处放置有测量用主电容22，在主电容22的上、下法兰外沿分别设有一个同轴设置的环形屏蔽电极21，在上、下环形屏蔽电极21之间沿复合绝缘套筒内壁圆周对称布置若干个(本例示出6个)屏蔽用辅助电容25，其两极与上、下环形屏蔽电极21可靠连接。主电容22与环形屏蔽电极21及屏蔽用辅助电容25之间不允许有任何电气联结，所以在主电容22与环形屏蔽电极21及辅助电容器25之间填充有绝缘材料23来保持主电容22与另外两者间的良好绝缘，绝缘材料23可选用现有常用的气体绝缘材料或泡沫绝缘材料。
根据电压等级的要求，可选用多个上面所述结构的双层同轴电容器组件2串联来组成等电位屏蔽的电容分压器。依据本实用新型设计的特高压等电位屏蔽电容式电压互感器的主电路如图3所示，图中C1为测量分压器的高压臂，C2为测量分压器的低压臂，Cs为对地杂散电容，V点为接被测高电压的接线端，G点为接地，F点为分压所得的被测信号，该信号F经补偿电抗器41和中间变压器42进行信号调理后接入负载进行测量，与负载并联的BOD(击穿二极管)串联MOA(金属氧化物避雷器)的结构为无储能元件的阻尼器43，该阻尼器43用于抑制铁磁谐振。
由双层同轴电容器组件2内层的主电容22串联组成了测量分压器的高压臂C1和低压臂C2，通过测量分压器的低压臂C2接地，构成测量分压器；由双层同轴电容器组件2中的屏蔽用辅助电容25逐级串联后直接接地，构成测量分压器的等电位屏蔽；分压器的输出端通过补偿电抗器接入中间变压器初级绕组；在中间变压器次级并联无储能元件的阻尼器43，电磁单元出口接到负载。
本实用新型所述电容式电压互感器的主电路为：高压臂C1连接低压臂C2后接地G，被测高电压经接线端V接入该电压互感器，分压所得的被测信号F通过补偿电抗器41接入中间变压器42的一次绕组进线端，中间变压器的一次绕组出线端接地；在中间变压器二次绕组出线端与地之间并联有阻尼器43，同时中间变压器二次绕组出线端经负载接地。
采用无储能元件的铁磁谐振抑制器组成的CVT的响应特性，与国内外现有CVT的响应特性的仿真结结果如图4所示。图中实线为实际被测电压曲线，短虚线为采用有储能元件的铁磁谐振抑制器后得到的CVT响应特性曲线，点虚线为采用本实用新型无储能元件的铁磁谐振抑制器后得到的CVT响应特性曲线，由图可知，互感器初级短路后，在半个周波内，次级测量电压就降至初始值的0.1以下，有效改善了CVT的响应特性。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种特高压等电位屏蔽电容式电压互感器，包括由上至下串联的顶部均压罩(1)、电容分压器和电磁单元(4)，所述处于中间位置的两个电容分压器之间设有一中间均压电极(3)，其特征在于：所述电容分压器由等电位屏蔽的双层同轴电容器组件(2)构成，所述电磁单元(4)包括补偿电抗器(41)、中间变压器(42)和用于抑制铁磁谐振的阻尼器(43)。
2.如权利要求1所述的电容式电压互感器，其特征在于：所述阻尼器(43)由击穿二极管BOD串接金属氧化物避雷器MOA组成。
3.如权利要求1所述的电容式电压互感器，其特征在于：所述双层同轴电容器组件(2)包括环形屏蔽电极(21)、测量用主电容(22)、绝缘材料(23)、复合绝缘套筒(24)和屏蔽用辅助电容(25)，所述主电容(22)设在复合绝缘套筒(24)的内轴心处，在主电容(22)的上、下法兰外沿处分别设有同轴分布的环形屏蔽电极(21)，在所述上、下环形屏蔽电极(21)之间沿复合绝缘套筒(24)内壁圆周对称布置有屏蔽用辅助电容(25)，所述屏蔽用辅助电容(25)的正极及负极分别与上、下环形屏蔽电极(21)可靠连接，主电容(22)与环形屏蔽电极(21)及辅助电容器(25)之间填充有绝缘材料(23)。
4.如权利要求1所述的电容式电压互感器，其特征在于：所述中间均压电极(3)通过拉线绝缘子(5)接地。
5.如权利要求1-4任一所述的电容式电压互感器，其特征在于：根据电压等级的要求，将各双层同轴电容器组件(2)串联组成等电位屏蔽的电容分压器。
6.如权利要求5所述的电容式电压互感器，其特征在于：所述主电容(22)串联组成测量分压器的高压臂C1和低压臂C2，通过低压臂C2接地，构成测量分压器；屏蔽用辅助电容(25)逐级串联后直接接地，构成测量分压器的等电位屏蔽；测量分压器的输出端通过补偿电抗器(41)接入中间变压器(42)的一次绕组后接地，中间变压器的二次绕组出线端接负载后接地，所述阻尼器(43)与负载并联。
7.如权利要求6所述的电容式电压互感器，其特征在于：该电压互感器的主电路为：高压臂C1连接低压臂C2后接地G，被测高电压经接线端V接入该电压互感器，分压所得的被测信号F通过补偿电抗器(41)接入中间变压器(42)的一次绕组进线端，中间变压器的一次绕组出线端接地；在中间变压器二次绕组出线端与地之间并联有用于抑制铁磁谐振的阻尼器(43)，同时中间变压器二次绕组出线端经负载接地。
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